Norma técnica esterilizacion y desinfeccion de elementos clinicos
Estado de la técnica relacionado con elementos ...
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ESTADO DE LA TÉCNICA RELACIONADO CON ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE BASTIDORES DE TRENES LUIS FERNANDO ESPINOSA UNIVERSIDAD EAFIT ESCUELA DE INGENIERÍAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA MEDELLÍN 2013
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ESTADO DE LA TÉCNICA RELACIONADO CON ELEMENTOS
ESTRUCTURALES DE BASTIDORES DE TRENES
LUIS FERNANDO ESPINOSA
UNIVERSIDAD EAFIT
ESCUELA DE INGENIERÍAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
MEDELLÍN
2013
ESTADO DE LA TÉCNICA RELACIONADO CON ELEMENTOS
ESTRUCTURALES DE BASTIDORES DE TRENES
LUIS FERNANDO ESPINOSA
Asesor
Germán René Betancur
Ingeniero Mecánico
UNIVERSIDAD EAFIT
ESCUELA DE INGENIERÍAS
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
MEDELLÍN
2013
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CONTENIDO
Pág.
1 INTRODUCCIÓN ...................................................................................... 8
2 OBJETIVOS.............................................................................................. 9
2.1 Objetivo General ....................................................................................... 9
2.2 Objetivos Específicos................................................................................. 9
3 JUSTIFICACIÓN ..................................................................................... 10
4 MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE ............................................... 11
5 NORMATIVA INTERNACIONAL PARA BASTIDORES .............................. 14
5.1 Norma EN 15085 Soldeo de componentes ferroviarios .............................. 14
5.2 Norma une-en 13103:2010+a1 aplicaciones ferroviarias ejes montados
y bogies ejes portadores método de diseño............................................... 15
6 REGISTRO PATENTES RELACIONADAS CON EL OBJETO DE ESTUDIO................................................................................................ 17
6.1 Bastidor del bogie de material rodante con construcción compuesta de
viga hueca .............................................................................................. 17
6.2 Bogie elevador para vehículos de transporte de carga ............................... 17
6.3 Chasis de bogie articulado y bogie articulado incorporando tal chasis ......... 18
6.4 Bastidor del bogie construido con aleación de aluminio .............................. 18
6.5 Bogie para vehículo ferroviario ................................................................. 18
6.6 Bastidor del bogie para vehículos ferroviarios ............................................ 19
4
7 REGISTRO PUBLICACIONES TÉCNICAS RELACIONADAS CON EL OBJETO DE ESTUDIO ............................................................................ 20
7.1 Evaluación de durabilidad de un bastidor del bogie compuesto con vigas
laterales en forma de arco........................................................................ 20
7.2 Modelado y simulación de vibraciones en el bastidor del bogie. .................. 20
7.3 Diseño de un bogie ferroviario en conformidad con el estándar europeo
EN13749................................................................................................. 21
7.4 Análisis de las metodologías para el cálculo de la fatiga de bastidores
de bogie ferroviario .................................................................................. 21
7.5 Problema de agrietamiento en las vigas trasversales donde se unen los
bogies del metro de Medellín resuelto utilizando análisis de fatiga. ............. 22
8 REGISTRO DE CARACTERIZACION DE LOS MATERIALES USADOS EN EL OBJETO DE ESTUDIO ................................................................. 23
9 REGISTRO DE PROCESOS DE MANUFACTURA RELACIONADOS
CON EL OBJETO DE ESTUDIO .............................................................. 29
9.1 Maquinabilidad de aleaciones de aluminio................................................. 29
9.2 Herramientas mecanizado ....................................................................... 30
9.3 Tipo de maquinaria para el mecanizado .................................................... 32
9.4 Parámetros recomendados para los procesos de mecanizado ................... 32
9.5 Herramientas torneado aluminio ............................................................... 32
9.6 Parámetros para el torneado .................................................................... 33
9.7 Comportamiento de las aleaciones de aluminio para forja .......................... 34
9.8 Factores influyentes en la realización de las uniones soldadas. .................. 35
9.8.1 Temperatura de fusión del aluminio .......................................................... 35
5
9.8.2 Conductividad térmica ............................................................................. 35
9.8.3 Dilatación térmica .................................................................................... 36
9.8.4 Óxido de aluminio .................................................................................... 36
9.8.5 PROCESOS DE SOLDEO ....................................................................... 37
9.9 RECOMENDACIONES PARA LA REALIZACIÓN DEL SOLDEO................ 37
9.9.1 Geometría de la unión ............................................................................. 37
9.9.2 Precalentamiento .................................................................................... 38
9.9.3 Punteado ................................................................................................ 39
6
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Tipos de estructuras de bastidores de bogies. 12
Figura 2. Construcción underframe 24
Figura 3. Construcción underframe 24
Figura 4. Tren MOHA63 25
Figura 5. Fuerza de corte 30
Figura 6. Materiales de corte para el aluminio 31
Figura 7. Plaquitas H10 CD10 33
Figura 8. Comparación de la conductividad térmica del acero y del aluminio. 35
Figura 9. Geometría de la unión para casos especiales 38
7
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Cuadro comparativo entre los tipos de estructuras. 13
Tabla 2. Niveles de certificación. 14
Tabla 3. Normas asociadas a los diferentes subsistemas de los vehículos. 16
Tabla 4. Característicastecnicas7075 (Al, Zn, Mg, Cu, 1,5) 27
Tabla 5. Propiedades físicas aleación 7075 27
Tabla 6. Propiedades tecnologicas aleación 7075 28
Tabla 7. Propiedades mecanicas a temperatura ambiente aleación 7075 28
Tabla 8. Propiedades y recomendaciones herramienta 31
Tabla 9. Parámetros para el torneado 33
Tabla 10. Soldabilidad de las aleaciones de aluminio según el proceso de soldeo 34
Tabla 11. Temperaturas de precalentamiento para uniones en tuberías y
chapa a tope de aleaciones de aluminio. 39
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1 INTRODUCCIÓN
El vehículo ferroviario está compuesto por un número de vagones y de una
locomotora la cual genera la energía necesaria para mover todo el conjunto. Para
lograr este objetivo, el vehículo dispone de un tren de rodaje el cual se desplaza sobre unos rieles paralelos.
Con el paso de los años y los avances tecnológicos, el tipo de energía utilizada ha
variado, y con esto modificando la eficiencia en el desplazamiento de una manera más rápida y cómoda. (aula2.elmundo)
El sistema ferroviario se puede observar en gran parte de los países
desarrollados, actuando como columna fundamental de la infraestructura de cada país. Se debe ser consiente del potencial que los sistemas ferroviarios representan para el desarrollo de un país, este sistema no se puede limitarlo
únicamente al sector transporte, sino como sistema principal de la infraestructura
nacional, que afecta directamente la economía y el desarrollo del país, redundando en bienestar social y desarrollo sustentable.(catarina.udlap)
El sistema ferroviario es uno de los elementos más importantes para el futuro de la movilidad. En unos tiempos en los que se priorizan los sistemas sostenibles, el sistema ferroviario despliega ventajas, tanto para el medioambiente como para el
ámbito económico. Se ha entendido que un sistema de transporte que gira en
torno al gasto energético de combustibles contaminantes no es sostenible. (Sistemas Ferroviarios y Tracción Eléctrica, 2010)
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2 OBJETIVOS
2.1 Objetivo General
Determinar el estado de la técnica en cuanto a los elementos estructurales de
bastidores de trenes.
2.2 Objetivos Específicos
Registrar la normativa internacional relacionada con el objeto de estudio.
Registrar patentes relacionadas con el objeto de estudio.
Registrar publicaciones técnicas especializadas relacionadas con el objeto
de estudio.
Registrar la caracterización de los materiales usados en el objeto de
estudio.
Registrar los procesos de manufactura relacionadas con el objeto de
estudio.
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3 JUSTIFICACIÓN
Al momento de hacer referencia a chasis o bastidor, este es asociado como el
armazón o esqueleto de un sistema. No es posible imaginar una máquina sin un
soporte o esqueleto, el cual la provee de movilidad y perdurabilidad. Por estas razones podemos entender a los bastidores como un elemento de suma
importancia en una máquina ya que sin este, su funcionalidad no existiría. Es en
todos los casos el elemento que soportará todos los componentes de la máquina y
debe ser capaz de sostenerlos y hacer que perduren.(coches20)
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4 MARCO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE
Un bastidor de bogie para ferrocarril, hace referencia a una estructura metálica
básica del bogie formada por elementos longitudinales conectados entre sí por
medio de elementos transversales asíservir de base o chasis sobre el cual irán
sujetos el resto de componentes.(Méndez, 2011)
Los bastidores o marcos se utilizan principalmente en vagones, automóviles, y unidades tractivas. Al momento de diseñar se debe tener en cuenta que estos
generen un menor esfuerzo entre la rueda y el riel, también que contribuyan a un
menor desgaste en las ruedas y los rieles, creando así baja resistencia en las curvas y gran resistencia al descarrilamiento.
Para los cálculos del diseño se debe tener en cuenta las cargas estáticas, dinámicas, longitudinales, transversales (viento y fuerza centrífuga), cargas de
interacción entre rueda y riel (en curvas) y cargas de inercia.
Se puede encontrar distintos tipos de diseño de bogie tales como:
Tipo A: bogie común de vagón, sin cabezal, compuesto por dos ramas
laterales elásticamente ligadas a una viga puente transversal.
Tipo B: formado por largueros de acero fundidos con sus cajas de engrase
y ligadas por una vigueta que le permite movimientos holgados.
Tipo C: bogie monoblock fundido rígidamente.
Tipo O: bogie con cabezales.
Los tipos de estructura se pueden observar en la siguiente figura. De acuerdo al diseño, estos tienen distintas aplicaciones, ventajas y desventajas, en cuanto a su
adaptación al servicio, prevalecen los tipos B y C pero considerando otros factores sobre la vía se impone el tipo C.
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Figura 1. Tipos de estructuras de bastidores de bogies.
(a) Bastidor tipo A.
(b) Bastidor tipo B.
(c) Bastidor tipo C.
(d) Bastidor tipo D.
Los de tipo A presentan muy buena elasticidad y acomodación en vías, pero no aseguran una distancia constante entre ejes. El tipo B mantiene siempre el
paralelismo entre sus largueros, pero debido a la soltura de la viga central el desplazamiento longitudinal relativo de ambos largueros puede hacerse máximo.
En el tipo C o monoblock el paralelismo de los ejes está garantizado. Permite también una elasticidad de movimiento de los largueros en planos verticales. El
cruzamiento de los ejes resulta imposible, el desplazamiento relativo de los largueros es nulo y la seguridad contra el descarrilamiento es mayor.
Existen otros tipos de bastidor tales como:
Bastidor no suspendido: los largueros son independientes o bien reunidos por un travesaño inferior, estos son de barras triangulares, de acero moldeados o soldados, con suspensión a muelles en hélice que transmiten
la carga a la viga oscilante.
Bastidor suspendido: este tipo de bastidor está formado por dos largueros y
un travesaño central, remachados o soldados de modo que formar una unidad, construidos con perfiles “doble T” o vigas cajón.
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A continuación en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia. se
muestra un cuadro comparativo para los diferentes tipos de estructuras.
Tabla 1. Cuadro comparativo entre los tipos de estructuras.
Tipo A Tipo B Tipo C Tipo O Considerado como solución elástica en circulación Oscilación Mediana Máxima Mínima Mediana Paralelismo No asegurado Absoluto Absoluto Discreta
Desfasaje Posibles sinusoides Imposible Reducidas Culebreo errores
perjudiciales Movimiento vertical Amplio Amplio Amplio Restringido Resultados obtenidos en la práctica normal Montaje Medio Sencillo Sin montaje Completo Circulación Buena Buena Optima Aceptable
Reparaciones en accidentes Por piezas Cambio de
repuestos Costosa Cambio de
piezas y enderezamiento
Efectos que cada tipo produce sobre las vías Cruzamiento Perjudicial Inocuo Imposible Perjudicial Diferencia rodado Perjudicial Perjudicial Perjudicial Perjudicial Decalaje Perjudicial Inocuo Perjudicial Perjudicial Sinusoide No daña Perjudicial Inocuo Perjudicial
(virgeliz)
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5 NORMATIVA INTERNACIONAL PARA BASTIDORES
Cuando nos referimos a normatividad se hace referencia a un conjunto de reglas o
leyes que hacen parte de una organización. Estas normas o reglas son útiles ya
que generan orden para cada uno de los procedimientos. (mipymes, 2011)
5.1 Norma EN 15085 Soldeo de componentes ferroviarios
La norma EN 15085 (las antiguas DIN 6700) se encargan de definir los requisitos de certificación y de calidad para el fabricante de soldeo que realiza nuevas construcciones o trabajos de reparación (mantenimiento) de aceros y aluminios en
vehículos ferroviarios y sus componentes. Además, dichas normas enlazan los
requisitos de calidad definidos durante el diseño y permite realizar soldaduras de calidad apropiada demostrando la calidad exigida mediante inspección.
Este enlace se consigue definiendo una clase de ejecución de la soldadura (CP) durante el diseño, basada en factores de seguridad y resistencia. Los niveles de
calidad de las imperfecciones están asignados a clases de ejecución de la soldadura para las cuales se especifican los niveles de certificación (CL) para la
producción, la inspección y ensayo y la cualificación del personal de soldeo.
Los distintos certificados EN 15085 se clasifican en función de los niveles de certificación (CL) asignados según la clase de ejecución (CP) y los factores de
seguridad de la soldadura. De este modo, se definen los cuatro niveles de
certificación siguientes:
Tabla 2. Niveles de certificación.
Nivel de certificación Descripción
CL 1
Fabricantes de soldeo que construyen vehículos ferroviarios soldados y sus componentes soldados, con uniones soldadas clasificadas según las clases de ejecución de la soldadura CP A a CP D. Bogie, bajo bastidor, caja del vehículo, órganos de choque y tracción, estructuras
de apoyo para equipos externos, apoyos de los ejes montados, cajas de grasa,
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Nivel de certificación Descripción
apoyos de muelle, amortiguadores de choque, amortiguadores de vibraciones, equipos de freno, bastidor de apoyo para vehículos de utilización intensa incluyendo vehículos vía/carretera, componentes soldados de transmisión del esfuerzo de tracción del bogie al vehículo, tanques de combustible de los vehículos, acabado de las soldaduras de piezas moldeadas incluidas en los componentes indicados anteriormente, tanques de gas a presión, tanques y cisternas de vehículos ferroviarios con ensayos a presión, contenedores para materias peligrosas.
Requisitos de calidad EN ISO 3834-2. Coordinador de soldeo Nivel A (IWE o IWT + otros requisitos).
CL 2
Fabricantes de soldeo que fabrican componentes soldados de los vehículos ferroviarios con uniones soldadas clasificadas según las clases de ejecución de la soldadura CP C2 a CP D. Cisternas para materias no peligrosas, otras cisternas de transporte, partes
internas de coches de viajeros, bastidores de apoyo para equipos internos, equipos de la cabina de conducción, partes del lavabo y contenedores de agua con órganos de alimentación, puertas correderas en vehículos incluyendo carriles de guiado, fijación para las tuberías de freno, cofres de equipos no auto soportados bajo bastidor, cajas de cambios y consolas para manejo del freno de mano, escalones, barandillas y barandillas exteriores a los vehículos.
Requisitos de calidad EN ISO 3834-3. Coordinador de soldeo Nivel B o C (IWT o IWS + otros requisitos)
CL 3
Fabricantes de soldeo que fabrican componentes soldados de vehículos ferroviarios con uniones soldadas con clase de ejecución de la soldadura CP D. Manivelas y palancas para diversas operaciones, chapas de puertas, cajas de los
equipos y armarios de control en los vehículos ferroviarios, apoyos para placas indicadoras, areneros, cubiertas para vagones de mercancías, escalones, barandillas, pasamanos de los vehículos ferroviarios, bastidores de asientos, bastidores de ventanas, rejillas de ventilación.
Requisitos de calidad EN ISO 3834-4
CL 4 Fabricantes que no sueldan pero diseñan vehículos ferroviarios y componentes de vehículos ferroviarios o los compran y montan o los venden. Requisitos de calidad EN ISO 3834-3
(itcsoldadura, 2008)
5.2 Norma une-en 13103:2010+a1 aplicaciones ferroviarias ejes montados y bogies ejes portadores método de diseño
Esta norma define las fuerzas y momentos a tener en cuenta en función de las masas y condiciones de tracción y frenado también proporciona el método de cálculo de esfuerzos para ejes con manguetas exteriores. Especifica los esfuerzos
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máximos admisibles, que deben tomarse en consideración en los cálculos, para
una calidad de acero EA1N, definido en la Norma EN 13261.
Describe el método para la determinación de los esfuerzos máximos admisibles para otras calidades de acero. Determina los diámetros de las distintas secciones
del eje y recomienda las formas y transiciones más adecuadas para proporcionar
un buen comportamiento en servicio. Esta norma es aplicable a: ejes macizos y huecos de material rodante ferroviario para trasladar viajeros y carga; ejes
definidos en la Norma EN 13261; todos los anchos de vía. También se puede
encontrar para la geometría del bogie la norma NF F 32.101.
Tabla 3. Normas asociadas a los diferentes subsistemas de los vehículos.
Subsistema del vehículo Norma Código Bogie. Bastidor de bogie. Geometría NF F 32.101
Bogie.Rodamiento. Contacto rueda - riel.
Perfil de rueda UIC 615-0 UIC 615-1 UIC 615-4
Rueda UIC 510-5 NF EN 13262
Bogie.Rodamiento. Ejes NF EN 13103-10104 (cálculo) NF EN 13261 (calidad) NF EN 13260 (calado)
Bogie. Rodamiento. Reductores. Cajas de ejes.
Cajas de grasa NF EN 12080 EN 12082 NF EN 12081
Rodamientos NF EN 12080 (calificación) EN 12082 (pruebas)
Grasa rodamientos NF EN 12081 Bogie. Suspensión. Comodidad dinámica UIC 513 y 519 Pruebas. Pruebas antes de la entrega de vehículos. Pruebas de subconjuntos. Consistencia.
Resistencia estructura chasis bogie motriz. UIC 515-4
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6 REGISTRO PATENTES RELACIONADAS CON EL OBJETO DE ESTUDIO
6.1 Bastidor del bogie de material rodante con construcción compuesta de viga hueca
(Bogie frame of rolling stock having composite hollow beam construction, inventor: Kazuhiro Oda, Musashi-Murayama, Ttsujiro Fukui, Yukio Minowa, int. CL B61F
5/52. USA, patente de investigación US5303657, 19 abril 1994.)
La presente invención se refiere al bastidor del bogie, de un vehículo de levitación
magnética o un vehículo ferroviario, para desplazamiento sobre rieles.
Tradicionalmente los bastidores se han fabricado principalmente con materiales de acero, El peso de las vigas del bastidor del bogie representan una gran proporción
del peso total del bogie. Como un esfuerzo por minimizar el peso, se han
establecido distintas posibilidades y materiales para mejorar el diseño del bastidor,
Entre tales propuestas se utilizaran aleaciones de aluminio y materiales reforzados con fibras de plástico para las armaduras de los bogies.
6.2 Bogie elevador para vehículos de transporte de carga
(Bogie elevador para vehículos de transporte de carga, inventor: Varajarv, Martti, int. CL B60G9/00.España, Patente de invenciónES-2013459_A6, 01 mayo 1990)
Bogie elevador para vehículos de transporte de carga, que comprende un árbol,
dos brazos basculantes dispuestos con susceptibilidad de rotación en dicho árbol, estando prevista la fijación a los primeros extremos de los brazos basculantes de
conjuntos de suspensión de las ruedas adyacentes y las ruedas a elevar/bajar a los segundos extremos de los brazos basculantes, y un cilindro mecánico que está sujeto en un primer extremo a un soporte y en su otro extremo a un brazo
oscilante, destinado a actuar sobre los brazos basculantes para elevar/bajar las
ruedas. Para conectar el bogie elevador a vehículos con independencia de las variaciones de anchura de los chasis y de sus tolerancias de fabricación, el soporte del cilindro mecánico está dispuesto en el árbol de bogie, y este está
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sujeto amoviblemente a dos cartelas de montaje a disponer en largueros del
chasis.
6.3 Chasis de bogie articulado y bogie articulado incorporando tal chasis
(Chasis de bogie articulado y bogie articulado incorporando tal chasis, inventor:
Rodet, Alain y Brun, Stephane, España, CLB61F 5/52, Patente europea ES-
2182008_T3, 08 abril 1998)
La presente invención se refiere, en general, a los bogies, y de modo más
particular, a un bogie que comprende un bastidor de bogie articulado. Los bogies que utilizan un bastidor articulado tienen la ventaja de un mejor apoyo en el suelo de las cuatro ruedas del bogie, en particular durante el paso por un tramo de vía
alabeado, transición alineamiento - curva en peralte, o durante el paso sobre un
defecto de la vía.
6.4 Bastidor del bogie construido con aleación de aluminio
(Bastidor del bogie construido con aleación de aluminio, inventor: Michel Rimbaud,
FredericLiodenot, Int CL B61f 3/00, USA, Patente US5653177, 5 Agosto 1997)
Se propone una estructura de bogie que hace uso de materiales que no han sido aún utilizados en la estructura de armaduras de los bogies y va en contra de los prejuicios del experto en la técnica. Otro mérito de la solicitante es proponer un
marco que permite que la fabricación del bogie se simplifique. Otro mérito de la
solicitante consiste en proponer una estructura de bogie formado por elementos hechos de aleación de aluminio fundido o forjado. Por lo tanto, un objeto de la invención es proporcionar un bastidor de bogie permitiendo reducir el peso y el
número de piezas de este.
6.5 Bogie para vehículo ferroviario
(Bogie para vehículo ferroviario, inventor: Vanolo, Prieto Torino, CL 61F 5/12, Europa, Patente EP0818375 A2, 14 Enero 1998)
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La presente invención está relacionada con bogies de vehículos ferroviarios, del
tipo que comprende un bastidor, dos ejes que están conectados al bastidor a
través de respectivas cajas, un travesaño de soporte de carga situada encima de la zona centro del marco y destinada a ser fijada al cuerpo del vehículo ferroviario, suspensión interpuestos entre el área central del bastidor y el travesaño de
soporte de carga, amortiguador vertical y amortiguador lateral asociados
operativamente a dichos medios, y el mecanismo de huntin que absorbe dispuestos sustancialmente de forma longitudinal en los lados opuestos del bogie.
6.6 Bastidor del bogie para vehículos ferroviarios
(Bastidor del bogie para vehículos ferroviarios, inventor: Shinmura, KanayaDaizo, Fukui Yasuyuki, KunimatsuYuki, OzuShotaro, WatanabeYoshitomo, TosawaTakehiro, YamadaKoichi, IshiyamaJunichi, CL B61F 5/52, Europa, Patente
EP 2 537 729 A1, 08 Julio 2010)
La presente invención se refiere a un bastidor del bogie para vehículo de ferrocarril
incluyendo vigas laterales y estas unidas entre sí de manera que dispositivos tales
como un motor, un freno de la unidad, y otros están montados en las vigas laterales.
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7 REGISTRO PUBLICACIONES TÉCNICAS RELACIONADAS CON EL
OBJETO DE ESTUDIO
7.1 Evaluación de durabilidad de un bastidor del bogie compuesto con vigas laterales en forma de arco
(Jung Seok Kim, Kwang Bok Shin, Hyuk Jin Yoon and Woo GeunLee, Journal of
Mechanical Science and Technology, Durability evaluation of a composite bogie frame with bow-shaped side beams, 07 Abril 2011)
En el estudio actual, la seguridad estática estructural y la durabilidad de dos
modelos compuestos de la estructura de bogie se evaluó utilizando un análisis de elementos finitos. Antes de la evaluación, las propiedades mecánicas del material
base fueron medidas. La fatiga también se midió para evaluar la durabilidad. En
base a los datos del material, la seguridad estructural estática se examinó
utilizando el criterio de fallo Tsai-Wu bajo diez diferentes condiciones de carga.
7.2 Modelado y simulación de vibraciones en el bastidor del bogie.
(H. Claus and W. Schiehlen, Dynamics of vehiclesonroads and tracks, Modelado y
simulación de vibraciones en el bastidor del bogie, 22 Agosto 1997)
La investigación de la dinámica del sistema y sus efectos sobre el bogies, pista y cimientos es un tema importante en la ingeniería ferroviaria, usando técnicas de
simulación y modelado, es analizado el bogie del tren Alemán ICE de alta velocidad. La representación de las irregularidades de la vía por funciones de
densidad espectral de potencia se analiza y se compara con los datos de medición. Las vibraciones estructurales del bogie de ferrocarril son principalmente excitado por las vías. Estas vibraciones forzadas que resultan en estrés y la fatiga
del bastidor del bogie son investigados por las simulaciones.
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7.3 Diseño de un bogie ferroviario en conformidad con el estándar europeo EN13749
(Giampaolo Mancini, Alessandro Cera, Fstrenintaliadisqs, Design of railways
bogies in compliance with the new EN13749 European standard, 01 Abril 2005)
Como consecuencia del desarrollo del proceso de estandarización en Europa, en
abril del 2005 el nuevo estándar europeo EN13749 fue emitida por el cuerpo de estandarización europea CEN. El objetivo de la norma es definir el proceso
completo de diseño del bogie ferroviario. Este incluye procesos de diseño, métodos de evaluación, verificación y requerimientos de calidad de manufactura.
La norma codifica suposiciones de carga estática y fatiga, así como el cálculo y métodos de ensayos para verificar la estática y la resistencia a la fatiga de la
estructura.
7.4 Análisis de las metodologías para el cálculo de la fatiga de bastidores de bogie ferroviario
(A.Cera, G.Mancini, V.Leonardi, L.BertiniTrenitaliaS.p.A Florence Italy, Pisa University Mech. Eng. Dept Pisa Italy, Analysis of methodologies for fatigue calculation for railway bogie frames, 20 Abril 2005)
El documento se centra en un análisis crítico a la resistencia a la fatiga del
bastidor del bogie, con especial atención en las uniones soldadas. Las diferentes uniones de soldadura se analizaron críticamente incluyendo los dos métodos
(límite de resistencia y el diagrama de Goodman) para las metodologías de cálculo propuestos en la norma europea EN 13749. Los criterios seleccionados, haciendo
uso de un propósito desarrollado post-procesador para un programa de elementos finitos comercial (ANSYS) se compararon críticamente para la fiabilidad y la
seguridad.
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7.5 Problema de agrietamiento en las vigas trasversales donde se unen los bogies del metro de Medellín resuelto utilizando análisis de fatiga.
(Roger Zimmerli, PROSE Ltda, Aluminum body shell cracking solved using fatigue
analysis, 01 Octubre 2008)
El metro de Medellín opera una flota de 42 EMUs (unidades electricas multiples)
construidos en Europa a finales de 1990 en los últimos 12 meses estos trenes han sufrido de un problema de agrietamiento que aparece en las vigas trasversales
donde se unen los bogies. La compañía planea mantener estos trenes en servicio hasta 2025, por lo que necesita una rectificación permanente del problema. Por lo
tanto, se acude a PROSE Ltd. de Winterthur en Suiza en busca de ayuda, y en Octubre 2008 concedió a esta última empresa con un contrato para analizar el
problema, averiguar por qué se siguen produciendo, y, sobre todo, para sugerir una solución permanente.
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8 REGISTRO DE CARACTERIZACION DE LOS MATERIALES USADOS EN EL
OBJETO DE ESTUDIO
En un principio, se utilizaron materiales de madera para la construcción del cuerpo
del ferrocarril. Posteriormente, los materiales de acero fueron adoptados para mejorar la seguridad contra incendios o choque. Sin embargo, los materiales de
acero se corroen después de su uso continuo durante largos período. Las placas
deben repararse después de una cierta propagación de la corrosión.
Por otro lado, va en contra de la tendencia actual el aumentar el espesor de las
placas para mejorar el fenómeno de la corrosión, ya que el ferrocarril requiere ser más ligero para aumentar su capacidad de transporte y su rentabilidad.
Por lo tanto, se comenzaron a desarrollar trenes de aleación de aluminio buscando eliminar el fenómeno de la corrosión y reducir su peso. Aleaciones de aluminio son
utilizadas como materiales principales para los aviones, ya que tienen igual
resistencia que el acero y un tercio de gravedad específica. Se consideran ideal para los ferrocarriles, sin embargo, tomó un largo tiempo para ser popular en la realidad. Se utiliza sólo para algunos elementos de los ferrocarriles (Figura 2.
Construcción underframe, Figura 3. Construcción underframe), pequeños
teleféricos, tele cabinas y teleféricos. La razón fue que era costoso y se requiere de una tecnología avanzada para ser procesados. Algunos vagones experimentales utilizando materiales de aleación de aluminio se produjeron antes
de la Segunda Guerra Mundial. Se construyeron trenes tipo"MOHA63" (Figura 4. Tren MOHA63) utilizando materiales excedentes de duraluminio para aviones
durante el período de la posguerra, cuando los materiales eran escasos.
24
Figura 2. Construcción underframe
(Corp)
Figura 3. Construcción underframe
(Corp)
25
Figura 4. Tren MOHA63
(Sozagaku)
El mayor beneficio de un tren de aleación de aluminio, se ve reflejado en el peso
de la estructura de la carrocería, ya que esta pesa la mitad en comparación a la fabricada en acero. Esto reduce el peso de todo el tren en un 10 a 15%,
representando un mayor ahorro en el costo de la energía.
Cuando se utilizan materiales de aleación de aluminio en los trenes, se aplican
diversos métodos de fabricación, para reducir sus costos de producción. Por ejemplo, se reduce el número de componentes generando una extrusión de una
figura compleja de muchos componentes como una pieza entera, mientras que para un tren de acero cada componente se procesa a partir de distintas placas.
Entre las diversas aleaciones de aluminio encontramos las aleaciones Al-Zn-
Mg（Aleaciones 7XXX）las cuáles son las más utilizadas en los trenes. En las
aleaciones de serie 7xxx el Zn añadido en proporciones que van desde el 1 - 8 % es el elemento aleante en mayor porción en estas aleaciones. A veces se
añaden pequeñas cantidades de Mg para hacer la aleación tratable térmicamente. También es normal añadir otros elementos aleantes como Cu o
Cr en pequeñas cantidades. Debido a que la principal propiedad de estas aleaciones es su alta dureza se suele usar en las estructuras de los aviones,
equipos móviles y otras partes altamente forzadas. Debido a que esta serie
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muestra una muy baja resistencia a la corrosión bajo tensión se le suele aplicar
levemente un tratamiento térmico para conseguir una mejor mezcla de
propiedades.
Las aleaciones de esta serie se clasifican en dos tipos: la aleación Al-Zn-Mg-Cn
que tiene la mayor fuerza entre las aleaciones de aluminio y la aleación Al-Zn-Mg
para las estructuras de la soldadura. La 7075, una de la aleación Al-Zn-Mg, Cu, se utiliza para aviones, artículos deportivos, etc. Por el contrario, la aleación Al-Zn-Mg
tiene relativamente alta resistencia, que se desarrolló principalmente como
material de soldadura estructural y ahora se utiliza para los materiales
estructurales en los tren de alta velocidad y en otros tipos de trenes.
(haomeicn)
La aleación 7075 (Al,Zn,Mg,Cu,1,5) se trata de una de las aleaciones con las
características más elevadas dentro de los aluminios. El desarrollo de esta aleación ha hecho posible su utilización en campos hasta ahora reservado a los
aceros.
27
Tabla 4. Característicastecnicas7075 (Al, Zn, Mg, Cu, 1,5)
(sebastianfustel)
Tabla 5. Propiedades físicas aleación 7075
28
Tabla 6. Propiedades tecnologicas aleación 7075
Tabla 7. Propiedades mecanicas a temperatura ambiente aleación 7075
(S.R.L.)
29
9 REGISTRO DE PROCESOS DE MANUFACTURA RELACIONADOS CON EL
OBJETO DE ESTUDIO
Un proceso de manufactura es un conjunto de operaciones, el cual permite el
cambio de forma, propiedades o apariencia de la materia prima, estas características pueden ser variadas tales como densidad, resistencia o el
tamaño.(virgeliz)
9.1 Maquinabilidad de aleaciones de aluminio
La mayoría de las aleaciones están basadas en sistemas de aluminio-cobre o aluminio-silicio, con adiciones para mejorar las características de fundición o de
servicio. Entre las aleaciones aluminio-cobre, la que contiene 8% de cobre ha sido usada por mucho tiempo como la aleación para fines generales, aunque las adiciones de silicio y hierro, mejoran las características de la fundición ya que la
hace menos quebradiza en caliente, la adición de zinc, mejora su maquinabilidad.
Las aleaciones de aluminio-magnesio son superiores a casi todas las otras aleaciones de fundición de aluminio en cuanto a resistencia, corrosión y
maquinabilidad.
El aluminio puro y las aleaciones de aluminio-manganeso son duros para maquinar, a no ser que se empleen herramientas especiales con mayor ángulo de
salida que el acostumbrado para el acero. (spences)
Para el proceso de mecanizado del aluminio se necesita tan sólo un 30 % de la
fuerza de corte en comparación a materiales de acero. La influencia del material
de la pieza sobre la fuerza de corte se expresa por la fuerza de corte específica, la
magnitud de esta fuerza varía con el ángulo de desprendimiento.
El aumento de este ángulo en un grado representa una reducción en la fuerza de
aproximadamente 1,5%.
30
Figura 5. Fuerza de corte
(unal)
9.2 Herramientas mecanizado
Gran parte de los procesos de manufactura que implican arranque de viruta para el aluminio necesitan herramientas especiales. Estas se distinguen de las empleadas en el mecanizado del acero en poseer mayores ángulos de
desprendimiento y mayor espacio para la salida de la viruta.
Estas son las herramientas de filo múltiple es el caso de las fresas, este tipo de
herramientas tienen sólo unos pocos dientes. (upc)
31
Figura 6. Materiales de corte para el aluminio
Tabla 8. Propiedades y recomendaciones herramienta
(unal)
32
9.3 Tipo de maquinaria para el mecanizado
Para el caso de las aleaciones de aluminio deben procesarse en maquinas que
permitan alcanzar como mínimo las velocidades de corte mínimas recomendadas para una aleación dada, y que no genere vibraciones al mecanizar a elevadas
velocidades de corte.
Para mecanizar este tipo de aleaciones se recomiendan máquinas de tipo rígido, con cojinetes firmes y elevadas velocidades en su eje de giro, al igual que motores potentes, además de evacuar de modo efectivo la viruta. (internacional)
9.4 Parámetros recomendados para los procesos de mecanizado
En las aleaciones de aluminio, los procesos de mecanizado, debido a la elevada producción de viruta, es mucho más económico el mecanizado de pre-formas
obtenidas por extrusión o forja.
9.5 Herramientas torneado aluminio
Se deberán utilizar plaquitas con forma básica positiva y filos agudos.
Se utiliza GC1005 que es una calidad de metal duro con recubrimiento PVD (Physical Vapour Deposition) con elevada resistencia al desgaste, que se
recomienda para desbaste.
Las plaquitas H10 no llevan recubrimiento y es la calidad de primera elección en la
mayor parte de los casos, desde desbaste hasta acabado.
Para acabado en condiciones estables, es recomendable la calidad de plaquita
CD10 con punta de diamante poli cristalino (PCD). CD10 soporta mejor el filo de aportación que las calidades de metal duro. Ofrece mejor acabado superficial y
mayor duración de la herramienta.
33
Para el caso de aleaciones de aluminio con contenido de Si superior al 13%, se
debe utilizar CD10 (PCD) ya que la duración de las calidades de metal duro se
reduce de forma importante.
Figura 7. Plaquitas H10 CD10
(sandvik)
9.6 Parámetros para el torneado
Tabla 9. Parámetros para el torneado
34
(upcommons)
9.7 Comportamiento de las aleaciones de aluminio para forja
Las aleaciones no bonificables según la designación AA son las 1XXX, 3XXX y algunas 4XXX y 5XXX, siendo las aleaciones de este tipo soldables. Las
aleaciones bonificables según la AA son las 2XXX y algunas 4XXX, 5XXX, 6XXX y 7XXX. El soldeo no es recomendable para muchas de las aleaciones de este tipo, sin embargo si se pueden soldar casi todas las aleaciones 5XXX, 6XXX y las
aleaciones 2219, 7005 y 7039. En la siguiente tabla se indica la soldabilidad de
algunas aleaciones de aluminio, habiéndose seleccionado casi todas las que son soldables por procesos TIG y MIG.
Tabla 10. Soldabilidad de las aleaciones de aluminio según el proceso de soldeo
35
A- Aleación soldable por el proceso indicado.
B- Aleación soldable por el proceso indicado en la mayoría de los casos. Puede
requerir técnicas o ensayos especiales para determinar las técnicas adecuadas. C- Difícilmente soldable mediante el proceso indicado. X- No se recomienda el soldeo por el proceso indicado.
9.8 Factores influyentes en la realización de las uniones soldadas.
9.8.1 Temperatura de fusión del aluminio El aluminio puro funde a unos 600ºC y las aleaciones de aluminio a unos 560ºC,
temperaturas muy bajas en comparación con la del acero (1535ºC) y la del cobre
(1082ºC). Sin embargo las aleaciones de aluminio no cambian de color durante el calentamiento, por lo que se corre el riesgo de perforar la pieza.
9.8.2 Conductividad térmica
Las aleaciones de aluminio conducen el calor tres veces más rápido que el acero, por lo que se requerirá un aporte térmico más elevado para soldar una pieza de aluminio que una de acero, aunque ambas tengan las mismas dimensiones. Para
conseguir una buena fusión cuando la pieza tenga gran espesor, es necesario
realizar un precalentamiento.
Figura 8. Comparación de la conductividad térmica del acero y del aluminio.
36
9.8.3 Dilatación térmica
Las aleaciones de aluminio se dilatan dos veces más que el acero al calentarse, lo que puede provocar grandes tensiones internas y deformaciones en las piezas
durante el soldeo.
También es mayor la tendencia a la disminución de la separación en la raíz en las piezas a tope. El soldeo a bajas velocidades y con gran cantidad de metal de
aportación incrementa las deformaciones y la tendencia a la rotura.
9.8.4 Óxido de aluminio
En las aleaciones de aluminio, en presencia de aire, se forma alúmina (óxido de aluminio) con gran facilidad. Este óxido tiene una temperatura de fusión muy elevada, entre 1200ºC y 2000ºC mayor que la temperatura de fusión del aluminio. Por tanto el aluminio funde antes que su óxido y, cuando esto sucede, la película
de óxido impide la fusión entre el metal base y el metal de aportación, por lo que
es imprescindible eliminar o retirar la capa de óxido mediante un decapado químico, un fundente, amolado o mediante la acción decapante del arco eléctrico.
En el soldeo MIG y TIG (con CC+ o CA respectivamente) el arco eléctrico decapa
la superficie de la pieza eliminando el óxido y la envoltura del gas inerte previene
la contaminación del baño.
En algunas ocasiones, y debido a una mala limpieza, se puede quedar atrapado
algún óxido en el baño de fusión que dará lugar a una imperfección en la
soldadura. Es imprescindible limpiar las piezas antes del soldeo y cepillarlas utilizando cepillos con púas de acero inoxidable. Estos cepillos deberán destinarse
exclusivamente a la limpieza de aluminio.
37
9.8.5 PROCESOS DE SOLDEO
El aluminio y sus aleaciones pueden soldarse mediante la mayoría de los
procesos de soldeo por fusión, así como por soldeo blando, fuerte y soldeo en estado sólido. El soldeo por fusión se puede realizar mediante TIG, MIG, por
resistencia, plasma, láser y haz de electrones. El soldeo con electrodos revestidos y oxigás sólo se emplea en reparaciones, o cuando no es posible utilizar otro
proceso por carencia de medios. El proceso por arco sumergido no se realiza.
9.9 RECOMENDACIONES PARA LA REALIZACIÓN DEL SOLDEO
9.9.1 Geometría de la unión
Se puede emplear un diseño especial (fig. A) cuando sólo se puede realizar el soldeo TIG o MIG por una sola cara y sea imprescindible obtener una raíz suave y
lisa. Se puede utilizar para espesores mayores de 3mm y en cualquier posición. Aunque se consigue con relativa facilidad una buena penetración se requiere gran
cantidad de metal de aportación y las deformaciones pueden ser mayores que las
que se producen con diseños convencionales. Se aplica principalmente en tubería,
sobre todo en posición fija.
En las uniones en V no se recomiendan ángulos de chaflán menores de 60º. Para espesores gruesos se puede emplear una geometría como la de la figura 9.
38
Figura 9. Geometría de la unión para casos especiales
9.9.2 Precalentamiento
No suele ser necesario el precalentamiento. Como excepción se consideran las
piezas de gran espesor, en las que un precalentamiento adecuado puede disminuir el aporte térmico requerido para conseguir la fusión y penetración requeridas. Aunque puede ser habitual precalentar cuando se realizan soldaduras
TIG, no lo es cuando se emplea el MIG.
No se debe abusar del precalentamiento pues puede ser perjudicial para el aluminio. En las aleaciones bonificables, como la AA 6061, un precalentamiento a temperatura elevada disminuirá las propiedades mecánicas. Las aleaciones con
un 3-5.5% de magnesio (Mg), como las 5XXX, no deben precalentarse por encima de 115ºC y la temperatura entre pasadas será inferior a 150ºC.
En muchas ocasiones se utilizan lápices térmicos para determinar la temperatura
de la pieza.
39
A continuación se indican las temperaturas de precalentamiento recomendadas
Tabla 11. Temperaturas de precalentamiento para uniones en tuberías y chapa a tope de aleaciones de aluminio.
9.9.3 Punteado
Debe ser cuidadoso y se recomienda eliminar los puntos a medida que avanza la
soldadura.
En el caso de ser incorporados a la soldadura, se resanarán las grietas o defectos
de los puntos antes del soldeo, preparándose el principio y el final del punto para
permitir una buena fusión de éste. En las soldaduras por ambos lados, se resanará antes de realizar la primera pasada por el otro lado. Como regla general cada punto tendrá una longitud de 10 veces el espesor de la pieza.
40
10 CONCLUSIONES
Podemos concluir que el material más adecuado para la fabricación de la viga pivote es una aleación de aluminio 7075, ya que esta es una de las aleaciones con
las características más elevadas dentro de los aluminios. El desarrollo de esta
aleación ha hecho posible su utilización en campos hasta ahora reservados a los
aceros. Debido a su dureza, alta densidad, propiedades térmicas y buena resistencia a la fatiga frente a otros metales.
La regulación de los distintos procedimientos en la fabricación de componentes, permiten adaptar los productos, procesos y/o servicios a los fines para los que
están destinados, asegurando así una buena calidad en la fabricación. A pesar
que la norma es un documento el cual permite su aplicación de forma voluntaria,
contiene especificaciones técnicas las cuales se fundamentan en los resultados de la experiencia y del avance tecnológico.
Las piezas fabricadas con aleaciones de aluminio se pueden obtener por moldeo,
dando como resultado piezas de diversas formas, al igual que por medio de procesos que requieren deformación, como por ejemplo la laminación o la forja.
Los diferentes tipos de aleaciones de aluminio se pueden soldar por medio de los
procesos de soldeo por fusión comúnmente utilizados. El soldeo por fusión se puede realizar mediante TIG, MIG, por resistencia, plasma, láser y haz de electrones.
La aleación de aluminio 7075 posee con una alta resistencia debido a su contenido de zinc, esto permite que se pueda utilizar en piezas altamente
tensionadas, otras ventajas de este tipo de aleación es su buena resistencia a la
fatiga es fácil de mecanizar y buena estabilidad dimensional.
41
Se puede evidenciar que los países con mayores patentes relacionadas al objeto
de estudio son Estados Unidos y España, manteniendo regulaciones y adelantos
tecnológicos relacionados al tema de gran importancia para la industria ferroviaria.
Los métodos de manufactura que se utilizan para la fabricación de la viga pivote
son la extrusión y forja, Siendo estos dos los procesos más adecuados para el
buen funcionamiento y calidad del elemento.
La mayoría de patentes encontradas relacionadas con el objeto de estudio son de
los finales de los años 90`s, mostrando así que la construcción y utilización de estos elementos siguen vigentes en algunas ocasiones con pequeñas variaciones
para la construcción de trenes en los últimos años.
Según las publicaciones técnicas encontradas el fenómeno de mayor impacto en el buen funcionamiento y durabilidad del objeto de estudio son las vibraciones
forzadas que resultan en estrés y la fatiga del bastidor del bogie.
42
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